استاد مشاور : دکتر فرزانه بیات
مدیر مسئول : محمد حداد
سردبیر : مریم فرشباف
محقق : زهرا حکمت
مقطع کارشناسی
رشته فیزیک مهندسی
سال 1401-1402
دانشگاه شهید مدنی آذربایجان- تبریز
نشریه ی بتاترون
چکیده
ابتدا مفهوم مقاومت الکتریکی عناصر، اثر مایسنر و خاصیت ابررسانایی را مورد بررسی قرار می‌دهیم و در ادامه نظریه ی BCSوچگونگی تشکیل جفت های کوپر را بررسی میکنیم و همچنین قانون فارادی را بیان میکنیم ودر آخر کاربرد ابررسانا ها را در زمینه های مختلف را بازگو میکنیم.
واژه های کلیدی: مقاومت، دما، جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، اثر مایسنر،ابررسانا، جفت های کوپر، اسپین
مقدمه
تمامی مواد تحت شرایط مناسب قادر به عبور جریان الکتریکی از خودشان هستند. اما برخی مواد این عمل را راحت تر انجام می‌دهند. به کار بردن واژه های رسانا و عایق شاید خیلی بار علمی نداشته باشند اما به عنوان مثال هنگامی که واژه ی رسانا را برای فلزات به کار می‌بریم درواقع به این اشاره می‌کند که این عناصر از خود مقاومت کمی به هنگام عبور جریان از خود نشان می‌دهند. درحالی که موادی نظیر چوب از مقاومت بیشتری برخوردار بوده و این به معنی عدم عبور جریان نیست. مقاومت مفهومی است که به کمک آن سعی در تقسیم بندی مواد در دسته های مختلفی همچون رسانا و عایق داریم.
یکی از ویژگی های جالب توجه مفهوم مقاومت، تغییر آن با دما است (شکل ۱). برای اولین بار در سال ۱۹۱۱ هیک کامرلینگ اُونس دریافت که مقاومت الکتریکی مواد رفته رفته کمتر شده و به طور ناگهانی به صفر می‌رسد . اُونس در واقع پدیده ی ابررسانایی را کشف کرد .
حدود ۲۰ سال پس از کشف پدیده ی ابررسانایی توسط اُنس دو فیزیکدان به نام های کارل مایسنر و رابرت اوچسفند پی بردند که می‌توان ابررسانا ها را در دسته ی مواد دیامغناطیسی قرار داد. آنها دریافتند که اگر یک ابررسانا را درون یک میدان مغناطیسی قرار داده و جریان های الکتریکی را در سطح آنها ایجاد کنند این جریان ها طبق قانون القای فارادی در جهتی میدان مغناطیسی تولید می‌کنند که با میدان اصلی مخالف و آن را خنثی کند به زبان ساده تر ابررسانا ها اجازه نفوذ میدان مغناطیسی را به درون خود نمی‌دهند که به اثر مایسنر معروف است (شکل ۲).
اکنون برای توجیح چگونگی تبدیل شدن مواد به ابررسنا باید به سراغ نظریه ی BCS برویم. ابررسانایی درواقع پدیده ای فیزیکی است که در آن مقاومت الکتریکی ماده در دمای بحرانی(دمایی که در آن ماده مقاومت الکتریکی خود را از دست می دهد و از خود خاصیت ابررسانایی نشان می دهد) خاصی به صفر می‌رسید. نظریه ی Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) توضیحی مناسب برای توصیف ابررسانایی در بیشتر مواد است که در سال ۱۹۵۷ پدید آمد. این نظریه بیان می‌کند که دو الکترون با اسپین های مخالف که دارای بار منفی هستند (برخلاف انتظار) همدیگر را جذب می‌کنند و جفت کوپر تحت دمای بسیار کم تشکیل می شوند و ابررسانایی BCS از تراکم آنها به وجود می آید. علت این نیروی جاذبه برهمکنش فوتون-الکترون ها میباشد (شکل ۳).
زوج های کوپر اولین بار در سال ۱۹۶۵ توسط لئون کوپر کشف و معرفی شد. در فیزیک ماده چگال، یک زوج کوپر یا زوج هایBCS شامل یک جفت الکترون یا فرمیون های (سنگ بنای ماده معمولی) دیگر است که در دماهای پایین به صورت مشخصی در قید یکدیگر قرار دارند. این پدیده نشان میدهد که یک جاذبه ی تصادفی کوچک بین الکترون ها در یک فلز می‌تواند باعث جفت شدن الکترون ها شود که دارای انرژی کمتری از انرژی فرمی (مفهومی در فیزیک کوانتوم است که به تفاوت انرژی بین بالاترین و پایین ترین حالت اشغال شده فرمیون های بدون برهمکنش در دمای صفر مطلق اشاره دارد) است و این به معنای مقید بودن این زوج هست.
نتایج ما نشان میدهد که در دماهای بسیار پایین جفت الکترون ها در وضعیت صفر کوانتومی قرار می‌گیرند که با اولین لایه تحریک الکترون متفاوت است و این خود شامل دو نتیجه می باشد. اول این که الکترون ها در حالت برانگیخته نیستند که بتوانند به شبکه انرژی بدهند و به حالت پایدار صفر برسند. دوم این که به علت پایین بودن دما و در نتیجه انرژی گرمایی شبکه، انرژی لازم برای تحریک الکترون ها و بردن آن ها به سطح برانگیخته وجود ندارد، بنابراین الکترون ها بدون انجام هیچ برهمکنش و تبادل انرژی با شبکه، حرکت می کنند.
معادلات و قانون ها
 |
قانون القای الکترومغناطیسی فارادی که مایکل فارادی آن را پیش نهاده، بیان می‌کند که هرگاه شار مغناطیسی که از یک از یک مدار بسته می گذرد تغییر کند، نیروی محرکه ای در آن القا می‌شود که بزرگی آن با آهنگ تغییرات شار مغناطیسی متناسب است.
جریان های ایجاد شده توسط ابررسانا ها طبق قانون فارادی در جهتی میدان مغناطیسی تولید می کنند که با میدان اصلی مخالفت کند و درنتیجه آن را خنثی کند.
در این رابطه در این تحقیق از مقاله های مروبط به ابررسانایی و مطالب سایت های علمی استفاده شده است.
یکی از ویژگی های جالب توجه مفهوم مقاومت، تغییر آن با دما است. فرض کنید که در یک مدار الکتریکی سیم هایی از جنس طلا به کار برده اید. می‌دانیم فلز طلا یکی از بهترین رسانا های موجود در جهان است. اما اگر دمای آن را افزایش دهیم مقاومت آن بیشتر می‌شود. چرایی این امر را می‌توان اینگونه تفسیر کرد که با افزایش دما، ارتعاشات و جنب و جوش اتم های ساختاری بلوری طلا زیاد شده و در نتیجه الکترون ها سخت تر انتقال می یابند. و در نتیجه الکترون ها راحت تر منتقل می شوند.
دمای بحرانی جهت تبدیل شدن به ابررسانا برای ساختارهای مختلف:
 |
برخی از مواد در فشار خاصی تبدیل به ابررسانا می شوند.
 |
بحث و تحلیل
شاید دلیل همه گیر نشدن کاربرد های ابررسانا ها، علی رغم گذشت یک قرن از کشف آن ها به این دلیل باشد اکثرا تمامی این مواد در دمایی نزدیک به صفر مطلق(C°۲۷۳.۱۵-)تبدیل به ابررسانا می‌شوند. درواقع به زبان ساده تر هرچه سود از انتقال توان توسط ابررسانا ببریم، از طرفی با صرف انرژی و رساندن دما به صفر مطلق خنثی می شود.
اما برخلاف انتطار دانشمندان موادی که در دماهای بالاتر خاصیت ابررسانایی از خود بروز می دهند کشف شد و انگیزه ی استفاده از ابررسانا ها در صنعت و تکنولوژی به دلیل صرفه اقتصادی را دوچندان کرد.
نتیجه گیری
با توجه به دو مشخصه اصلی ابررسانایی یعنی مقاومت تقریبا صفر و نفوذ ناپذیری مغناطیسی، مواد ابررسانا کاربرد های فراوانی دارند که برخی از آنها امروزه با تلاش بیش از ده هزار پژوهشگر حوزه ابررسانایی در زمینه فیزیک، مکانیک کوانتوم، مهندسی برق، مهندسی الکترونیک، مهندسی پزشکی، مهندسی مواد، مهندسی شیمی و علوم دیگر و با صرف هزینه های تحقیقاتی زیاد، بالفعل شده اند.
شاید بتوان گفت که دنیای مدرن امروزی، مدیون پیشرفت فیزیک الکتریسیته و مغناطیس است.
با تشکر از نگاه گرمتان
پایان
